РЕФЕРАТ 3
ВВЕДЕНИЕ 5
1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 7
1.1 Основные характеристики бинарной системы Al-Si. Влияние модифицирующих
элементов на свойства силумина 8
1.2 Сплавы бинарной системы Al-Ti. Основные характеристики 14
2 МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 21
2.1 Материалы и объекты исследования 21
2.2 Методы исследования химического состава, структурно-фазового состояния и
физико-механических свойств 25
3 РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЯ 29
3.1 Влияние модифицирующей смеси на структурно-фазовое состояние сплава АК7ч до и после модифицирования 29
3.2 Структурно-фазовое состояние сплава бинарной системы Al-Ti 52
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 61
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 63
Сплавы на основе легких металлов (алюминия, титана и др.) занимают особое место среди конструкционных материалов. Это связано с возможностью достижения уникального сочетания основных эксплуатационных свойств (прочности, пластичности, коррозионной стойкости) одновременно с низкой плотностью. Химический и фазовый состав, структура и характер кристаллизации сплавов являются важнейшими характеристиками, определяющими их механические и литейные свойства. Процессы кристаллизации, структура и фазовый состав сплавов связаны с равновесными диаграммами состояния бинарных систем [1]. Первое место по объему производства занимают алюминиевые сплавы, найдя широкое применение в качестве конструкционных материалов.
Алюминиевые сплавы характеризуются высокой удельной прочностью, способностью сопротивляться динамическим нагрузкам и хорошей технологичностью. Среди алюминиевых сплавов важное место занимает силумин: алюминиево-кремниевый (Al-Si) сплав. Силумины отличаются высокой технологичностью, обладают хорошими литейными свойствами [2]. Силумины не содержат дорогостоящих легирующих элементов и характеризуются широким диапазоном структурно-фазовых характеристик. Однако, наличие в структуре литого силумина слабо разветвлённых дендритов a-Al, обрамлённых по границам дендритных ячеек хрупкой сеткой крупных эвтектических кремниевых кристаллов и включений интерметаллидов обусловливает невысокие прочностные характеристики и низкую пластичность силуминов. Незначительные добавки других химических элементов могут значительно изменить механические свойства алюминиевых изделий. Модифицирование силуминов является наиболее перспективным способом в повышении функциональных свойств. Свойства отливок из силуминов могут быть существенно улучшены при правильном выборе технологии модифицирования, литья и термической обработки [3]. Выбор оптимального модификатора и изучение влияния природы модификатора на структуру, фазовый состав и процессы кристаллизации силуминов является актуальной задачей.
Широкое применение также нашли сплавы на основе алюминия с добавками титана [4]. Достоинства сплавов на основе алюминия и титана - хорошие технологические свойства и отличная коррозионная стойкость. Наиболее перспективной группой композиционных материалов, способных работать в условиях повышенных температур и нагрузок являются титано-алюминиевые композиты содержащие металло-
интерметаллидные соединения [5, 6]. Можно получать алюминидные материалы,
состоящие из упрочняющих интерметаллидных частиц, в частности алюминида TiAl3 [7].
Параметры получения сплавов играют важную роль при формировании устойчивых материалов, содержащих стехиометрические интерметаллидные соединения. Актуальным направлением является разработка новых технологий получения интерметаллидных материалов системы алюминий-титана. Использование гидридной технологии является перспективной и используется для получения интерметаллидсодержащих сплавов.
Таким образом, разработка методов получения высокопрочных сплавов систем Al- Si и Al-Ti и изучение зависимости структурно-фазового состояния от параметров синтеза является актуальной задачей.
Целью работы являлось изучение влияние модифицирующих добавок на микроструктуру и фазовый состав алюминийсодержащих сплавов бинарной системы Al-Si и структурно-фазовое состояние сплавов бинарной системы Al-Ti, полученных по «гидридной» технологии.
1) Получены новые образцы отливок сплава АК7ч с помощью введения различных модификаторов в расплав: 0,2 масс.% K2ZrF6; УДП оксидов металлов и криолита в количестве 0,4 масс.%; зарубежный флюс «Arsal»; смесь 0,5 масс.% УДП оксидов металлов и криолита и 0,5 масс.% «Arsal». Проведено исследование структуры и фазового состава алюминийсодержащих сплавов бинарной системы Al-Si.
2) Установлено, что после использования модификаторов у всех образцов Al-Si сплавов изменяются структурно-фазовые характеристики. Наблюдается равномерное распределение дендритов a-Al и эвтектических областей (a-Al+0-Si) с одновременным уменьшением средних размеров выделяемых частиц кремния и железосодержащих фаз. Максимальный эффект уменьшения размеров кристаллитов проявляется на образце, полученном при введении смеси «Arsal» и УДП оксидов и криолит. Показано что средний размер кремниевых выделений в исходном состоянии имеет 12 мкм, а при введении модификаторов составляет 9 мкм (УДП оксидов c криолитом ); 3,5 мкм («Arsal»); 5,5 мкм («Arsal» и УДП оксидов); 3,6 мкм (K2ZrF6).
3) Модификатор, введенный в процессе плавки вызывает структурные напряжения в сплаве. Установлено, что модифицированные образцы характеризуются хаотическим распределением дислокаций. Исходный сплав АК7ч характеризуется низкой плотностью дислокаций, в то время как введение модификаторов приводит к существенным изменениям в дислокационной структуре материала. Максимальная плотность дислокаций наблюдается в образце, полученном при введении смеси («Arsal» и УДП оксидов и криолит) (13 ’ 109 см-2).
4) Рассмотрены процессы кристаллизации в условиях введения модифицирующей смеси. Установлено, что введение ультрадисперсных частиц модификаторов в расплав в количестве 0,3 масс.% обеспечивает достаточную концентрацию частиц (1012-109 шт/см2), являющихся центрами кристаллизации и способствующих формированию мелкокристаллической структуры в отливках силумина.
5) Показано, что введение различных МС влияет на механические свойства отливок. Уменьшение средних размеров вторичных фаз, выделяемых в процессе кристаллизации и увеличение плотности дислокаций приводит к упрочнению материала. Для всех модифицированных образцов наблюдается увеличение показателей относительного удлинения, что, в свою очередь, связано со снижением размеров кристаллов кремния. Оптимальными механическими свойствами обладает образец, модифицированный 0,2% K2ZrF6. Самым высоким показателем относительного удлинения
оксидов и криолит + 0,5 % «Arsal»).
6) Предложен новый метод получения материалов на основе системы Al-Ti включающий в себя: получение гидрида титана; смешение дисперсного порошка гидрида титана с нанопорошком алюминия; компактирование смеси под давлением; удаление водорода в условиях вакуумной термической обработки - вакуумный отжиг. Получена серия образцов при вариации соотношения элементов согласно диаграмме состояния бинарной системы Al-Ti. Установлено формирование сплавов на основе интерметаллидных фаз составов Ti3Al, TiAl, TiAl2, TiAl3. Показано, что выбранным методом можно получать сложные композиции, содержащие дисперсные интерметаллидные фазы системы Al-Ti.
7) Рассмотренные в работе подходы по получению функциональных свойств Al-Si и Al-Ti сплавов могут быть перспективными для разработки технологических регламентов получения конструкционных материалов в промышленных условиях.
